Что такое сфера дайсона: Сфера Дайсона – Статьи на сайте Четыре глаза

В поисках сферы Дайсона

Вселенная настолько огромна, что на ее бесконечных просторах может реализоваться даже исключительно маловероятное явление. Человечество с огромным нетерпением ждет встречи с представителями внеземных цивилизаций и одновременно опасается их. Кто знает, что у них на уме? Принесет такая встреча пользу или вред — вопрос далеко не праздный, и понятно, что он волнует не только ученых, но и широкую общественность. Однако для начала нужно найти ответ на другой вопрос — есть ли там хоть кто-нибудь?

Первые попытки поисков внеземных цивилизаций начались вскоре после открытия радио в конце XIX века, то есть практически сразу, как только в нашем распоряжении появились средства передачи информации на большие расстояния (и соответственно ее приема). Константином Циолковским и Олафом  Стэплдоном (Olaf Stapledon) была предложена теория о том, что высокоразвитая цивилизация, ведомая техническим прогрессом и ростом потребления энергии, должна со временем выйти в космос для создания там солнечных электростанций гигантского размера.

Сфера Дайсона в представлении художника. Источник: dottedhippo/iStock/Getty Images Plus

Эту идею впоследствии популяризировал в своей работе американский физик Фримен Дайсон (Freeman Dyson), в честь которого позже получил свое название один из возможных типов конструкций подобных сооружений.

Что мы ищем

Идея «сферы Дайсона» по сути своей довольно проста. Земля «улавливает» около одной двухмиллиардной части всей энергии, испускаемой Солнцем. Это огромная величина, из которой мы сейчас используем чуть менее сотой доли процента, но с учетом ускорения технического прогресса мы достигнем такого уровня энергопотребления в течение ближайших 200-300 лет.

Что же дальше? Если человечество продолжит свое развитие все ускоряющимися темпами, нашим потомкам придется строить фотогальванические преобразователи циклопических размеров, размещенные на самостоятельных околосолнечных орбитах. Вырабатываемую ими энергию можно будет использовать прямо на месте для создания космической индустрии, а также передавать на Землю или в колонии на других телах Солнечной системы, куда к тому времени переселится часть жителей нашей планеты.

Эта цепочка событий в развитии цивилизации, продиктованная базовыми принципами технического прогресса и физики, в итоге должна привести к тому, что почти вся «родительская» звезда окажется закрытой искусственно созданной конструкцией. Такой вариант выглядит практически неизбежным как для человечества, так и для других разумных существ. И самое главное, что подобную конструкцию можно было бы обнаружить даже в том случае, если бы «братья по разуму» не предпринимали активных попыток с нами связаться.

О поисках такой сферы сам Фримен Дайсон высказывался следующим образом: «Главное — это поиск инопланетян, которые не хотят общаться. Мой вопрос: как вы будете искать безмолвных инопланетян? Ответ: они должны излучать отработанное тепло. Единственный способ [избавиться от него] — производить много инфракрасного излучения». По словам Дайсона, поиски только начинаются и могут занять сотни лет. Обнаружение сферы, добавлял он, «не безусловно, но возможно».

Эллиптические звездные системы, как правило, не содержат выразительных деталей. При наличии достаточного количества сфер Дайсона в спектрах галактик проявятся характерные особенности — в частности, избыток инфракрасного излучения. Источник: ESA/Hubble & NASA

Ученый также предполагает, что «это вовсе не обязательно должна быть сфера». Дело в том, что вращающаяся сферическая конструкция не может находиться в равновесии из-за отсутствия центробежных сил у ее полюсов, поэтому она должна иметь более сложную форму, разомкнутую в направлении оси вращения.

Если сфера Дайсона не представляет собой целостную конструкцию, ее фрагменты могут периодически затмевать центральное светило, производя такой же эффект, как и транзиты планет. Но даже если сфера будет полностью закрывать звезду, ее можно обнаружить по собственному остаточному излучению в более длинноволновой части спектра. Поиски такого излучения лучше всего вести с помощью инструментов, вынесенных за пределы атмосферы Земли, которая сама интенсивно «светится» в инфракрасном диапазоне, а также вносит существенные погрешности при измерениях яркости звезд.

Безуспешные попытки

Первую попытку поиска «недостроенной» сферы провел Джун Джугаку (June Jugaku) на базе каталога Глизе 1970 года, который включал все 1774 объекта, известные на тот момент в радиусе 25 парсек (81,5 светового года). По его оценкам, если бы фрагменты сферы Дайсона закрывали более 1% поверхности звезды, то ее светимость должна была бы периодически падать на одну десятую звездной величины, что несложно зарегистрировать при наземных наблюдениях. В 1990 г. он опубликовал результаты своей работы, из которых следовало, что подходящих кандидатов ему найти не удалось.

После начала космической эры инфракрасная астрономия получила новый толчок, когда первые астрономические инструменты поднялись за пределы земной атмосферы (пропускающей к поверхности лишь малую часть ИК-излучения). Первым подобным проектом можно считать международную обсерваторию IRAS, в 1983-84 гг. впервые осуществившую полный обзор неба в значительной части инфракрасного диапазона. Ей удалось обнаружить свыше 250 тысяч источников. На основе этих данных были проведены поиски сфер Дайсона, полностью закрывающих свою звезду, по их предполагаемым спектральным особенностям. Спектры звезд имеют много линий поглощения и своеобразный «рваный» характер. Излучение сферы должно иметь примерно такой же непрерывный спектр, как у абсолютно черного тела. По этому критерию было отобрано несколько кандидатов, но все их особенности в итоге объяснили природными факторами.

Астрономы используют инфракрасные снимки для поиска астросооружений. Источник: NASA/JPL-Caltech

Кроме того, Ричард Корриган (Richard Corrigan), занимавшийся анализом данных IRAS, и Джейсон Райт (Jason Wright), участвовавший в сопровождении миссии WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer, NASA), сделали попытку обнаружить нечто еще более масштабное — сферы Дайсона вокруг целых галактик. Такие объекты должны иметь значительный избыток излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Однако и здесь ученых ожидала неудача. С тех пор было проведено еще несколько подобных обзоров (в том числе при помощи европейского инфракрасного телескопа Planck), но все они меркнут перед возможностями европейской астрометрической обсерватории Gaia, которая с конца 2013 г. смогла определить параметры более 1,3 млрд звезд. Полный набор характеристик измерялся лишь для части из них, но основная информация, необходимая для поисков сфер — параллакс (то есть расстояние до объекта), видимый блеск и спектр излучения — уже известна практически для всех. Количество звезд, охваченных исследованиями, кажется огромным, но на самом деле это незначительная часть от их общего числа в нашей Галактике, которое сейчас оценивается в 400 млрд.

Однако Gaia ведет наблюдения звезд не слабее 20-й видимой звездной величины. Это наложило определенные пространственные ограничения на возможность обнаружения сферы Дайсона: вокруг белых карликов такие структуры сейчас можно зарегистрировать, если они находятся на расстоянии нескольких десятков световых лет, вокруг красных карликов — не более чем в сотне световых лет, у звезд наподобие нашего Солнца — на дистанции еще в 10-20 раз большей. А вот астроинженерную конструкцию вокруг звезды-гиганта или субгиганта можно обнаружить практически на любом расстоянии в пределах Млечного Пути. После анализа результатов наблюдений более чем миллиарда звезд осталось лишь шесть «подозрительных» объектов, которые ученые сейчас проверяют с помощью других телескопов. В целом «улов» Gaia можно назвать довольно скудным, и даже для оставшихся 6 кандидатов, скорее всего, в итоге будет найдено естественное объяснение.

Новые надежды

Несмотря на то, что на данный момент нам еще не удалось обнаружить сферу Дайсона у себя «под боком», это вовсе не исключает возможности ее существования в отдаленных частях нашей Галактики, где ее смогут найти более мощные инструменты. Сейчас основные надежды в этом плане возлагаются на новые релизы данных Gaia,  а также на космическую обсерваторию Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope) и инфракрасный телескоп Roman (Nancy Grace Roman Space Telescope), которые должны отправиться в космос в этом десятилетии. Хоть они предназначены для наблюдений конкретных целей и не будут заниматься сканированием всего неба, но значительно более мощная оптика позволит им «заглянуть» намного дальше. К тому же их можно использовать для детального изучения уже «подозреваемых» объектов.

В обширных массивах данных, переданных обсерваторией WISE, астрономы пытаются отыскать признаки деятельности высокоразвитых цивилизаций — сферы Дайсона, окружающие звезды и целые галактики. Предполагается, что такие объекты будут исключительно яркими в инфракрасном диапазоне — даже более яркими, чем галактики, в ядре которых содержатся большие массы горячей пыли (на приведенном снимке такая галактика обведена розовым кольцом; желтыми кольцами обозначены активные сверхмассивные черные дыры). Источник: NASA/JPL-CALTECH/UCLA

В 2016 г. группа астрономов, сотрудничающих с Европейским космическим агентством (в ведении которого находится аппарат Gaia), предложила концепцию миссии GaiaNIR (Gaia Near-Infra-Red) — астрометрического телескопа для наблюдений в ближнем инфракрасном диапазоне. Такому инструменту будут доступны многие звезды, которые скрыты от нас облаками межзвездной пыли, непрозрачной для видимого света. Но вдобавок он окажется весьма эффективным при поисках возможных сфер Дайсона: сравнение полученных им данных с наблюдениями оптических телескопов позволит выявить объекты с «подозрительным» избытком длинноволнового излучения. К сожалению, многие технологии, необходимые для реализации такой миссии, пока отработаны недостаточно хорошо, поэтому ее вряд ли удастся осуществить раньше 2030 г.

Остается ждать и надеяться, что рано или поздно мы, наконец, получим ответ на животрепещущий и очень важный для нас вопрос — одиноки ли мы во Вселенной?

Сфера Дайсона • Янаш Банников • Научная картинка дня на «Элементах» • Астрономия

С развитием технологий растет и потребление энергии. Что же делать человечеству, когда на Земле ее перестанет хватать? Еще в 1959 году американский физик-теоретик Фримен Дайсон предложил гипотетическое астроинженерное сооружение — оболочку вокруг Солнца радиусом 1 а. е. и толщиной 3 м. По задумке, сфера Дайсона позволила бы решить проблему нехватки энергии и перенаселения. Такая сфера площадью в 550 млн раз больше площади Земли могла бы накапливать почти 100% излучаемой энергии Солнца, а если бы удалось создать и удерживать на ее внутренней поверхности атмосферу, то в ней можно было бы поселить в миллиард раз больше людей, чем сегодня есть на Земле. Правда, на постройку такой сферы ушло бы количество материала, равное по массе Юпитеру.

Впрочем, такая конструкция в реальности существовать не может. Чтобы сфера не деформировалась под силой притяжения Солнца, ее пришлось бы раскрутить до орбитальной скорости (20–30 км/сек). Но если на экваторе сила притяжения будет компенсироваться центробежной силой, то на полюсах скорость будет минимальной, и это приведет к разрушению сферы под действием гравитации звезды.

Эту проблему можно решить изменением самой конструкции — вместо сферы сделать кольцо. Конечно, кольцо получало бы сильно меньше энергии, чем сфера, но при необходимости можно построить несколько непересекающихся колец с разными углами наклона, как на рисунке выше. Такую конструкцию придумал американский фантаст Ларри Нивен, который в 1970 году описал ее в серии романов «Мир-кольцо».

К счастью, ни сфера Дайсона, ни кольцо Нивена не понадобятся нам еще очень и очень долго. Требуемую нашей цивилизации энергию пока еще можно добыть на Земле: мы сейчас не относимся даже к первому типу цивилизации по шкале Кардашёва.

Предположим, однако, что какая-то другая, более развитая цивилизация, уже использует энергию своей звезды при помощи сооружения, подобного сфере Дайсона. Сможем ли мы ее обнаружить? Да, сможем — по инфракрасному излучению, которое будет исходить от нагреваемой изнутри искусственной оболочки звезды. В этом, кстати, и состояла главная идея статьи Фримена Дайсона, в которой была высказана идея сферы, — она называлась «Поиск искусственных звездных источников инфракрасного излучения». Дайсон предложил дополнить поиск внеземных цивилизаций в радиодиапазоне поиском характерных инфракрасных источников.

В 2015 году астрономы заметили, что у находящейся в 1480 световых годах от нас звезды KIC8462852 в созвездии Лебедя яркость за считаные дни падала на 20%, а потом так же быстро восстанавливалась. Было высказано предположение, что изменения в светимости могут быть вызваны наличием у звезды искусственных оболочек. Однако избытка инфракрасного излучения от KIC8462852 обнаружено не было, так что от этой гипотезы пришлось отказаться. Сейчас наиболее правдоподобным объяснением колебаний светимости этой звезды считается экранирование вращающимися вокруг нее кометами.

Иллюстрация © Kevin Gill с сайта flickr.com/photos/kevinmgill.

Янаш Банников

Сфера Дайсона — Scholarpedia

Постпубликационная деятельность

Куратор: Ричард Кэрриган

Авторы:

0. 40 —

Евгений Михайлович Ижикевич

0,20 —

Фриман Дж. Дайсон

0,20 —

Роберт П. О’Ши

Ник Орбек

Риккардо Гуида

Тобиас Деннингер

Николау Леаль Вернек

Виорел Бадеску

• Д-р Фримен Дж. Дайсон, Институт перспективных исследований, Принстон, Нью-Джерси

• Доктор Ричард Карриган, Фермилаб, Батавия, Иллинойс

Сфера Дайсона — гипотетическая искусственная среда обитания, построенная вокруг звезды цивилизацией с достаточными технологиями. Он предназначен для максимально возможного захвата выходной мощности звезды и должен быть отличительной чертой цивилизации, способной контролировать ресурсы планетарной системы.

Поиск инопланетных цивилизаций

Джузеппе Коккони и Филип Моррисон, которые в то время были профессорами физики в Корнельском университете, в 1959 году предложили радиоастрономам искать искусственные радиосигналы, передаваемые инопланетными цивилизациями (Cocconi et ал., 1959). Такие сигналы могут быть направлены на нас инопланетянами или отправлены одной инопланетной цивилизацией другой и подслушаны нами. Коккони и Моррисон указали, что узкополосные радиосигналы, передаваемые существующими радарами и принимаемые существующими телескопами, могут быть обнаружены на межзвездных расстояниях, так что поиск таких сигналов имел смысл. Фрэнк Дрейк быстро начал поиски, которые он назвал «Проект Озма», используя радиотелескоп диаметром 85 футов в Грин-Бэнк (Дрейк, 1959). Он написал: «Он назван в честь королевы воображаемой страны Оз, очень далекого, труднодоступного места, населенного экзотическими существами». Никаких сигналов он не слышал. С тех пор поиск инопланетных радиосигналов продолжается с увеличением чувствительности и расширением охвата неба, но всегда с отрицательными результатами. Оказывается, инопланетные цивилизации, если они существуют по соседству с нами, не желают общаться по радио.

Дайсон в 1960 г. задал вопрос, существует ли какой-либо способ обнаружения инопланетных цивилизаций, не желающих общаться, и ответил на него утвердительно (Dyson, 1960). Он заметил, что любая цивилизация, использующая большой поток энергии, независимо от того, желает ли она общаться, по законам термодинамики будет вынуждена избавляться от отработанного тепла, которое должно излучаться в космос в виде инфракрасного излучения. Таким образом, необщительные цивилизации могли быть обнаружены как источники инфракрасного излучения при условии, что они использовали поток энергии, большой по сравнению с естественными источниками инфракрасного излучения в той же части неба. Дайсон предложил заняться поиском точечных источников излучения в десятимикронном диапазоне. Десятимикронное излучение будет исходить от внешней поверхности любой среды обитания, содержащей существ, при температуре около 300 градусов по Кельвину, при которой вода находится в жидком состоянии. Поскольку земная атмосфера сильно излучает в этом диапазоне, для поиска внеземных источников требуется телескоп с инфракрасным детектором, вращающийся в космосе. Интересно, что во время предложения Дайсона инфракрасная астрономия в десятимикронной области была в основном диким блеском в глазах нескольких индивидуалистов. С тех пор он стал одним из доминирующих окон в небо.

По мнению российского астрофизика Николая Кардашева (Кардашев, 1962), долгоживущие цивилизации, вероятно, принадлежат к трем типам, которые он называет I, II и III. Тип I контролирует ресурсы планеты, тип II контролирует ресурсы звезды, а тип III контролирует ресурсы галактики. Наша собственная цивилизация еще не относится к типу I, но будет таковой самое большее через несколько сотен лет. Сфера Дайсона является примером цивилизации типа II. Кардашев заметил, что переходы от рождения цивилизации к типу I, от типа I к типу II и от типа II к типу III будут быстрыми по сравнению с вероятным временем жизни цивилизаций, остающихся в одном из трех типов. Цивилизацию типа I на межзвездном расстоянии невозможно будет обнаружить с помощью существующих инструментов, а тип III в нашей собственной галактике изменит вид неба настолько радикально, что вряд ли ускользнет от нашего внимания. Таким образом, любая инопланетная цивилизация, которую мы обнаружим, скорее всего, будет цивилизацией типа II, контролирующей ресурсы звезды. Цивилизация займет среду обитания вокруг звезды и будет использовать в своих целях весь свет звезды. Затем поток энергии, переносимый звездным светом, будет излучаться в виде отработанного тепла с внешней поверхности среды обитания. С точки зрения двадцать первого века сфера Дайсона, построенная из осколков Юпитера, была бы большим проектом, в десять миллиардов триллионов раз тяжелее Международной космической станции. Бумага Дайсона (Дайсон, 19 лет)60), предлагая поиск искусственных источников инфракрасного излучения, отмечает, что для их создания может потребоваться «энергия, излучаемая солнцем за 800 лет».

В своей статье Дайсон писал: «Возьмем за модель нашу собственную солнечную систему, мы получим по крайней мере возможную картину того, что можно ожидать в другом месте. Я не утверждаю, что именно это произойдет в нашей системе; я только сказать, что это могло произойти в других системах». Он заметил, что масса Юпитера, если ее распределить в сферической оболочке, вращающейся вокруг Солнца на расстоянии, вдвое превышающем земное от него, будет иметь толщину 2 тонны на квадратный метр площади поверхности. «Оболочка такой толщины, — писал он, — может быть удобной для жилья и содержать все оборудование, необходимое для использования солнечного излучения, падающего на нее изнутри». Это замечание создало у читателей ложное впечатление, что среда обитания инопланетной цивилизации представляет собой большой круглый шар со звездой в центре. Различные писатели-фантасты переняли это представление о большом круглом шаре, населенном инопланетянами, и дали ему название «Сфера Дайсона». Дайсон использовал фразу «искусственная биосфера» для описания среды обитания инопланетной цивилизации. Он прекрасно понимал, что искусственная биосфера не может быть большим круглым шаром. Большой круглый шар, независимо от того, вращается он или нет, механически слишком слаб, чтобы выдержать собственный вес против гравитации звезды. Он представлял себе искусственную биосферу как облако обитаемых объектов, вращающихся вокруг звезды, достаточно плотно окружающих звезду, чтобы поглотить весь звездный свет, но с тщательно организованными орбитами, чтобы избежать столкновений.

Астрономические поиски

После предложения Дайсона прошло двадцать лет, прежде чем был запущен космический корабль с детектором длинноволнового инфракрасного излучения, охлаждаемым жидким гелием. В 1983 году инфракрасный астрономический спутник (IRAS), международная миссия, финансируемая совместно Соединенными Штатами, Великобританией и Нидерландами, провела первый обзор неба в длинноволновом инфракрасном диапазоне, обнаружив 245 389 источников (Beichman , 1987). Миссия была блестяще успешной. Было обнаружено, что небо заражено инфракрасными источниками. Подавляющее большинство источников являются идентифицируемыми природными объектами. Многие из них — только что родившиеся звезды, все еще погруженные в плотные пылевые облака, из которых они недавно сконденсировались. Пылевые облака нагреваются внутри себя новорожденными звездами и излучают энергию звезд в виде инфракрасного излучения. С точки зрения наших инфракрасных детекторов, эти естественные «звезды-коконы» выглядят так же, как инопланетные цивилизации. Старые звезды, такие как углеродные звезды, отходящие от асимптотической гигантской ветви, также сдувают большие пылевые облака. Если по соседству с нами и существуют инопланетные цивилизации, то они спрятаны среди огромной популяции естественных инфракрасных источников.

Поскольку большинство источников инфракрасного излучения имеют разумные астрофизические объяснения, важную роль играет знаменитая бритва Оккама, поэтому следует использовать самое простое объяснение. Тем не менее, несмотря на проблемы с естественными двойниками сферы Дайсона, ученые, такие как Карл Саган и Джилл Тартер, директор Центра исследований SETI в Институте SETI, пытались найти иголки сферы Дайсона в инфракрасном стоге сена. Недавно Дик Кэрриган (Carrigan, 2009) использовал информацию со спектрометра низкого разрешения (LRS) IRAS, чтобы развить более ранние поиски на основе фильтров IRAS, проведенные несколькими российскими астрономами, включая Кардашева и Вячеслава Слыша. Кэрриган обнаружил, что лишь несколько источников IRAS близки к тому, чтобы пройти проверку в качестве сферы Дайсона. Многие источники имеют четкие спектрографические линии, которые идентифицируют их как мимики. Часть инструментария Кэрригана подходит для планковского распределения абсолютно черного тела. Это шаг вперед, но также и шаг вниз по сравнению с первоначальной и более общей точкой зрения Дайсона. На практике большинство спектров LRS мало похожи на сферу Дайсона и имеют более высокие температуры. Поиск показывает, что в пределах нескольких сотен световых лет от Земли мало интересных кандидатов, если они вообще есть.

Несколько других астрономов, в том числе Дэн Вертимер, известный как создатель программы SETI@home, и Джун Джугаку искали так называемые «частичные» сферы Дайсона, где звезда лишь частично закрыта. Они проводили поиски, ища инфракрасные излишки вокруг видимых звезд. При поиске нескольких тысяч звезд не было сообщено о возможных кандидатах.

После IRAS были запущены другие космические аппараты, несущие более чувствительные детекторы и обнаружившие еще большее количество источников. Космический телескоп Spitzer — лучший в своем классе, с гораздо лучшим разрешением и чувствительностью, чем IRAS. В большинстве случаев миссия была сосредоточена на более детальном исследовании природных источников. Одна часть миссии, GLIMPSE (Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinaire), использовала фильтры для исследования инфракрасных источников в галактической плоскости. Эд Черчвелл из Университета Висконсина сообщает, что программа GLIMPSE идентифицировала порядка 100 миллионов источников, 90% из которых составляют холодные красные гиганты. К сожалению, все фильтры Спитцера имеют более короткие длины волн, поэтому выборка населения смещена в сторону температур выше естественного диапазона для жизни. Чтобы продолжить поиск сфер Дайсона, необходимо продолжать решать проблему различения искусственных источников от естественных. Пока не будет отличной дискриминации с небольшим количеством ложных срабатываний, повышение чувствительности детекторов не поможет.

Литературное происхождение

Истинным прародителем идеи искусственной биосферы был писатель-фантаст Олаф Стэплдон. В своем романе «Создатель звезд» (Стэплдон, 1987, стр. 179), он описал внешний вид галактики в далеком будущем, населенной цивилизацией типа III и видимой с большого расстояния. «Мало того, что каждая солнечная система теперь была окружена сетью световых ловушек, которые собирали ускользающую солнечную энергию для разумного использования, так что вся галактика была затемнена, но и многие звезды, которые не подходили для того, чтобы быть солнцами, были разрушены и лишены их огромные запасы субатомной энергии». Роман был опубликован в 1937 году, а Дайсон прочитал его в 1945 году. К сожалению, он не упомянул Стэплдона, когда публиковал свою статью (Dyson, 1960). Если бы Дайсон отдал должное Стэплдону в этой статье, то искусственные биосферы назвали бы «облаками Стэплдона» и никогда не получили бы вводящего в заблуждение названия «сферы Дайсона».

Младший автор считает Дайсона слишком скромным. Современная SETI (Tarter, 2001) опирается на четыре великих столпа середины двадцатого века. Это парадокс Ферми — терпеливый космический путешественник может пройти долгий путь, путешествуя со скоростью 1/100 скорости света, так почему же он не появился здесь, признание Коккони и Моррисонса возможности межзвездного радио, уравнение Дрейка и Предложение Дайсона. Суть идеи Дайсона — искать пирамиды, а не радиосигналы — может в конечном итоге стать парадигмой, определяющей разум за пределами Солнечной системы.

Ссылки

• К. Бейхман, «Взгляд IRAS на Галактику и Солнечную систему», Ежегодные обзоры астрономии и астрофизики , 25, 521-563 (1987).
• Р. Кэрриган, «Верхний предел всего неба на основе IRAS для сфер Дайсона», Astrophysical Journal , 698, 2075-2086 (2009).
• Г. Коккони и П. Моррисон, «Поиски межзвездных коммуникаций», Nature , 184, с. 844 (1959) doi: 10.1038/184844a0.
• Ф. Дрейк, «Как мы можем обнаруживать радиопередачи с далеких планетарных систем?», Небо и телескоп , 19, 140 (1959).
• Ф. Дайсон, «Поиск искусственных звездных источников инфракрасного излучения», Science , 131, 1667 (1960).
• Н. Кардашев, «Передача информации внеземными цивилизациями» (на русском языке), Астрономический журнал , 41, 282 (1962), английский перевод, Советская астрономия AJ , 8, 217 (1964).
• О. Стэплдон, Star Maker , (Лондон, Метуэн, 1937 г.), выпуск к 50-летию (Лос-Анджелес, Джереми Тарчер, 19 лет)87).
• Дж. Тартер, «Поиск внеземного разума (SETI)», Ежегодные обзоры астрономии и астрофизики , 39, 511-548 (2001)

См. также

• Уравнение Дрейка
• СЕТИ

Сфера Дайсона — Scholarpedia

Фримен Дж. Дайсон и Ричард Кэрриган (2009), Scholarpedia, 4(5):6647.

doi:10.4249/scholarpedia.6647

редакция #88984 [ссылка/цитирование этой статьи]

Постпубликационная деятельность

Куратор: Ричард Кэрриган

Авторы:

0.40 —

Евгений Михайлович Ижикевич

0,20 —

Фриман Дж. Дайсон

0,20 —

Роберт П. О’Ши

Ник Орбек

Риккардо Гуида

Тобиас Деннингер

Николау Леаль Вернек

Виорел Бадеску

• Д-р Фримен Дж. Дайсон, Институт перспективных исследований, Принстон, Нью-Джерси

• Доктор Ричард Карриган, Фермилаб, Батавия, Иллинойс

Сфера Дайсона — гипотетическая искусственная среда обитания, построенная вокруг звезды цивилизацией с достаточными технологиями. Он предназначен для максимально возможного захвата выходной мощности звезды и должен быть отличительной чертой цивилизации, способной контролировать ресурсы планетарной системы.

Поиск инопланетных цивилизаций

Джузеппе Коккони и Филип Моррисон, которые в то время были профессорами физики в Корнельском университете, в 1959 году предложили радиоастрономам искать искусственные радиосигналы, передаваемые инопланетными цивилизациями (Cocconi et ал., 1959). Такие сигналы могут быть направлены на нас инопланетянами или отправлены одной инопланетной цивилизацией другой и подслушаны нами. Коккони и Моррисон указали, что узкополосные радиосигналы, передаваемые существующими радарами и принимаемые существующими телескопами, могут быть обнаружены на межзвездных расстояниях, так что поиск таких сигналов имел смысл. Фрэнк Дрейк быстро начал поиски, которые он назвал «Проект Озма», используя радиотелескоп диаметром 85 футов в Грин-Бэнк (Дрейк, 1959). Он написал: «Он назван в честь королевы воображаемой страны Оз, очень далекого, труднодоступного места, населенного экзотическими существами». Никаких сигналов он не слышал. С тех пор поиск инопланетных радиосигналов продолжается с увеличением чувствительности и расширением охвата неба, но всегда с отрицательными результатами. Оказывается, инопланетные цивилизации, если они существуют по соседству с нами, не желают общаться по радио.

Дайсон в 1960 г. задал вопрос, существует ли какой-либо способ обнаружения инопланетных цивилизаций, не желающих общаться, и ответил на него утвердительно (Dyson, 1960). Он заметил, что любая цивилизация, использующая большой поток энергии, независимо от того, желает ли она общаться, по законам термодинамики будет вынуждена избавляться от отработанного тепла, которое должно излучаться в космос в виде инфракрасного излучения. Таким образом, необщительные цивилизации могли быть обнаружены как источники инфракрасного излучения при условии, что они использовали поток энергии, большой по сравнению с естественными источниками инфракрасного излучения в той же части неба. Дайсон предложил заняться поиском точечных источников излучения в десятимикронном диапазоне. Десятимикронное излучение будет исходить от внешней поверхности любой среды обитания, содержащей существ, при температуре около 300 градусов по Кельвину, при которой вода находится в жидком состоянии. Поскольку земная атмосфера сильно излучает в этом диапазоне, для поиска внеземных источников требуется телескоп с инфракрасным детектором, вращающийся в космосе. Интересно, что во время предложения Дайсона инфракрасная астрономия в десятимикронной области была в основном диким блеском в глазах нескольких индивидуалистов. С тех пор он стал одним из доминирующих окон в небо.

По мнению российского астрофизика Николая Кардашева (Кардашев, 1962), долгоживущие цивилизации, вероятно, принадлежат к трем типам, которые он называет I, II и III. Тип I контролирует ресурсы планеты, тип II контролирует ресурсы звезды, а тип III контролирует ресурсы галактики. Наша собственная цивилизация еще не относится к типу I, но будет таковой самое большее через несколько сотен лет. Сфера Дайсона является примером цивилизации типа II. Кардашев заметил, что переходы от рождения цивилизации к типу I, от типа I к типу II и от типа II к типу III будут быстрыми по сравнению с вероятным временем жизни цивилизаций, остающихся в одном из трех типов. Цивилизацию типа I на межзвездном расстоянии невозможно будет обнаружить с помощью существующих инструментов, а тип III в нашей собственной галактике изменит вид неба настолько радикально, что вряд ли ускользнет от нашего внимания. Таким образом, любая инопланетная цивилизация, которую мы обнаружим, скорее всего, будет цивилизацией типа II, контролирующей ресурсы звезды. Цивилизация займет среду обитания вокруг звезды и будет использовать в своих целях весь свет звезды. Затем поток энергии, переносимый звездным светом, будет излучаться в виде отработанного тепла с внешней поверхности среды обитания. С точки зрения двадцать первого века сфера Дайсона, построенная из осколков Юпитера, была бы большим проектом, в десять миллиардов триллионов раз тяжелее Международной космической станции. Бумага Дайсона (Дайсон, 19 лет)60), предлагая поиск искусственных источников инфракрасного излучения, отмечает, что для их создания может потребоваться «энергия, излучаемая солнцем за 800 лет».

В своей статье Дайсон писал: «Возьмем за модель нашу собственную солнечную систему, мы получим по крайней мере возможную картину того, что можно ожидать в другом месте. Я не утверждаю, что именно это произойдет в нашей системе; я только сказать, что это могло произойти в других системах». Он заметил, что масса Юпитера, если ее распределить в сферической оболочке, вращающейся вокруг Солнца на расстоянии, вдвое превышающем земное от него, будет иметь толщину 2 тонны на квадратный метр площади поверхности. «Оболочка такой толщины, — писал он, — может быть удобной для жилья и содержать все оборудование, необходимое для использования солнечного излучения, падающего на нее изнутри». Это замечание создало у читателей ложное впечатление, что среда обитания инопланетной цивилизации представляет собой большой круглый шар со звездой в центре. Различные писатели-фантасты переняли это представление о большом круглом шаре, населенном инопланетянами, и дали ему название «Сфера Дайсона». Дайсон использовал фразу «искусственная биосфера» для описания среды обитания инопланетной цивилизации. Он прекрасно понимал, что искусственная биосфера не может быть большим круглым шаром. Большой круглый шар, независимо от того, вращается он или нет, механически слишком слаб, чтобы выдержать собственный вес против гравитации звезды. Он представлял себе искусственную биосферу как облако обитаемых объектов, вращающихся вокруг звезды, достаточно плотно окружающих звезду, чтобы поглотить весь звездный свет, но с тщательно организованными орбитами, чтобы избежать столкновений.

Астрономические поиски

После предложения Дайсона прошло двадцать лет, прежде чем был запущен космический корабль с детектором длинноволнового инфракрасного излучения, охлаждаемым жидким гелием. В 1983 году инфракрасный астрономический спутник (IRAS), международная миссия, финансируемая совместно Соединенными Штатами, Великобританией и Нидерландами, провела первый обзор неба в длинноволновом инфракрасном диапазоне, обнаружив 245 389 источников (Beichman , 1987). Миссия была блестяще успешной. Было обнаружено, что небо заражено инфракрасными источниками. Подавляющее большинство источников являются идентифицируемыми природными объектами. Многие из них — только что родившиеся звезды, все еще погруженные в плотные пылевые облака, из которых они недавно сконденсировались. Пылевые облака нагреваются внутри себя новорожденными звездами и излучают энергию звезд в виде инфракрасного излучения. С точки зрения наших инфракрасных детекторов, эти естественные «звезды-коконы» выглядят так же, как инопланетные цивилизации. Старые звезды, такие как углеродные звезды, отходящие от асимптотической гигантской ветви, также сдувают большие пылевые облака. Если по соседству с нами и существуют инопланетные цивилизации, то они спрятаны среди огромной популяции естественных инфракрасных источников.

Поскольку большинство источников инфракрасного излучения имеют разумные астрофизические объяснения, важную роль играет знаменитая бритва Оккама, поэтому следует использовать самое простое объяснение. Тем не менее, несмотря на проблемы с естественными двойниками сферы Дайсона, ученые, такие как Карл Саган и Джилл Тартер, директор Центра исследований SETI в Институте SETI, пытались найти иголки сферы Дайсона в инфракрасном стоге сена. Недавно Дик Кэрриган (Carrigan, 2009) использовал информацию со спектрометра низкого разрешения (LRS) IRAS, чтобы развить более ранние поиски на основе фильтров IRAS, проведенные несколькими российскими астрономами, включая Кардашева и Вячеслава Слыша. Кэрриган обнаружил, что лишь несколько источников IRAS близки к тому, чтобы пройти проверку в качестве сферы Дайсона. Многие источники имеют четкие спектрографические линии, которые идентифицируют их как мимики. Часть инструментария Кэрригана подходит для планковского распределения абсолютно черного тела. Это шаг вперед, но также и шаг вниз по сравнению с первоначальной и более общей точкой зрения Дайсона. На практике большинство спектров LRS мало похожи на сферу Дайсона и имеют более высокие температуры. Поиск показывает, что в пределах нескольких сотен световых лет от Земли мало интересных кандидатов, если они вообще есть.

Несколько других астрономов, в том числе Дэн Вертимер, известный как создатель программы SETI@home, и Джун Джугаку искали так называемые «частичные» сферы Дайсона, где звезда лишь частично закрыта. Они проводили поиски, ища инфракрасные излишки вокруг видимых звезд. При поиске нескольких тысяч звезд не было сообщено о возможных кандидатах.

После IRAS были запущены другие космические аппараты, несущие более чувствительные детекторы и обнаружившие еще большее количество источников. Космический телескоп Spitzer — лучший в своем классе, с гораздо лучшим разрешением и чувствительностью, чем IRAS. В большинстве случаев миссия была сосредоточена на более детальном исследовании природных источников. Одна часть миссии, GLIMPSE (Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinaire), использовала фильтры для исследования инфракрасных источников в галактической плоскости. Эд Черчвелл из Университета Висконсина сообщает, что программа GLIMPSE идентифицировала порядка 100 миллионов источников, 90% из которых составляют холодные красные гиганты. К сожалению, все фильтры Спитцера имеют более короткие длины волн, поэтому выборка населения смещена в сторону температур выше естественного диапазона для жизни. Чтобы продолжить поиск сфер Дайсона, необходимо продолжать решать проблему различения искусственных источников от естественных. Пока не будет отличной дискриминации с небольшим количеством ложных срабатываний, повышение чувствительности детекторов не поможет.

Литературное происхождение

Истинным прародителем идеи искусственной биосферы был писатель-фантаст Олаф Стэплдон. В своем романе «Создатель звезд» (Стэплдон, 1987, стр. 179), он описал внешний вид галактики в далеком будущем, населенной цивилизацией типа III и видимой с большого расстояния. «Мало того, что каждая солнечная система теперь была окружена сетью световых ловушек, которые собирали ускользающую солнечную энергию для разумного использования, так что вся галактика была затемнена, но и многие звезды, которые не подходили для того, чтобы быть солнцами, были разрушены и лишены их огромные запасы субатомной энергии». Роман был опубликован в 1937 году, а Дайсон прочитал его в 1945 году. К сожалению, он не упомянул Стэплдона, когда публиковал свою статью (Dyson, 1960). Если бы Дайсон отдал должное Стэплдону в этой статье, то искусственные биосферы назвали бы «облаками Стэплдона» и никогда не получили бы вводящего в заблуждение названия «сферы Дайсона».

Младший автор считает Дайсона слишком скромным. Современная SETI (Tarter, 2001) опирается на четыре великих столпа середины двадцатого века. Это парадокс Ферми — терпеливый космический путешественник может пройти долгий путь, путешествуя со скоростью 1/100 скорости света, так почему же он не появился здесь, признание Коккони и Моррисонса возможности межзвездного радио, уравнение Дрейка и Предложение Дайсона. Суть идеи Дайсона — искать пирамиды, а не радиосигналы — может в конечном итоге стать парадигмой, определяющей разум за пределами Солнечной системы.

Ссылки

• К. Бейхман, «Взгляд IRAS на Галактику и Солнечную систему», Ежегодные обзоры астрономии и астрофизики , 25, 521-563 (1987).
• Р. Кэрриган, «Верхний предел всего неба на основе IRAS для сфер Дайсона», Astrophysical Journal , 698, 2075-2086 (2009).
• Г. Коккони и П. Моррисон, «Поиски межзвездных коммуникаций», Nature , 184, с. 844 (1959) doi: 10.1038/184844a0.
• Ф. Дрейк, «Как мы можем обнаруживать радиопередачи с далеких планетарных систем?», Небо и телескоп , 19, 140 (1959).
• Ф. Дайсон, «Поиск искусственных звездных источников инфракрасного излучения», Science , 131, 1667 (1960).
• Н. Кардашев, «Передача информации внеземными цивилизациями» (на русском языке), Астрономический журнал , 41, 282 (1962), английский перевод, Советская астрономия AJ , 8, 217 (1964).